存储与持久化

Pod 随时会被删除、重建、漂移，容器里的文件也跟着消失。存储卷要解决的就是：哪些数据应该跟着 Pod 走，哪些应该独立于 Pod 存在。

难度 · 进阶 预计 55 分钟 前置：Pod、工作负载

你将学到

• emptyDir、hostPath、NFS、PVC 的适用场景与边界
• PV / PVC / StorageClass 的绑定流程
• 静态供给与动态供给的差异
• 访问模式、回收策略、绑定模式的实际含义
• StatefulSet 的卷模板与数据保留
• PVC 一直 Pending 的排查路径

为什么需要卷

容器的文件系统是临时的。Pod 重建后，容器层的数据全部丢失。Kubernetes 用卷（Volume）把存储的生命周期从容器中解耦：

存储	生命周期	适合
容器文件系统	容器重启即丢	临时文件
emptyDir	Pod 删除即丢	容器间共享、缓存
hostPath	跟节点走	节点级代理、实验
NFS	独立于 Pod	多 Pod 共享
PVC	独立于 Pod，可动态供给	数据库、业务数据

flowchart LR
  P[Pod] --> V[Volume]
  V --> E[emptyDir]
  V --> H[hostPath]
  V --> N[NFS]
  V --> PVC[PVC]
  PVC -->|绑定| PV[PV]
  PV --> SC[StorageClass]
  SC -->|动态创建| CSI[CSI Driver]
  CSI --> D[(云盘 / 本地盘 / NFS)]

图：Pod 通过 volume 使用存储；PVC 是「存储申请」，PV 是「存储资源」。

临时卷

emptyDir

Pod 启动时创建，Pod 删除时销毁。适合同一 Pod 内多容器共享文件、临时缓存。

emptydir.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: emptydir-demo
spec:
  initContainers:
    - name: prepare
      image: busybox:1.36
      command: ["sh", "-c", "echo hello > /data/index.html"]
      volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /data
  containers:
    - name: web
      image: nginx:1.27
      volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /usr/share/nginx/html
  volumes:
    - name: data
      emptyDir:
        medium: Memory
        sizeLimit: 16Mi

medium: Memory 使用 tmpfs，速度快但占内存；sizeLimit 防止写满节点。

hostPath

把节点上的目录挂进 Pod。适合 DaemonSet 类型的节点代理，不适合业务数据。

hostpath.yaml

volumes:
  - name: host-data
    hostPath:
      path: /var/lib/app-data
      type: DirectoryOrCreate

风险：

• Pod 漂移到别的节点后，看不到原数据；
• 容器可能读写节点敏感目录；
• 多 Pod 并发写同一目录容易冲突。

PV / PVC / StorageClass

三个角色

对象	谁创建	作用
PV	管理员 / 动态供给	一块实际存储资源
PVC	应用开发者	对存储的申请（大小、访问模式）
StorageClass	管理员	定义「如何动态创建 PV」

绑定流程

1. 用户创建 PVC，声明 storageClassName、accessModes、resources.requests.storage；
2. 控制器寻找匹配的 PV，或调用 StorageClass 的 provisioner 动态创建；
3. 绑定成功后，PVC 变为 Bound；
4. Pod 引用 PVC，kubelet 调用 CSI 把卷挂载到容器。

kubectl get pv,pvc -A
kubectl describe pvc <name> -n <ns>

访问模式

模式	缩写	含义
ReadWriteOnce	RWO	单节点读写
ReadOnlyMany	ROX	多节点只读
ReadWriteMany	RWX	多节点读写
ReadWriteOncePod	RWOP	单 Pod 读写（较新）

RWO 是「单节点」，不是「单 Pod」。同一节点上的多个 Pod 可以同时挂载同一个 RWO 卷（取决于驱动）。

回收策略

策略	行为
Delete	删除 PVC 时删除后端存储（动态供给默认）
Retain	保留 PV 与数据，需手工清理

生产环境的重要数据建议 Retain，避免误删 PVC 导致数据丢失。

绑定模式

volumeBindingMode: WaitForFirstConsumer

• Immediate：PVC 创建后立即绑定，可能绑到不满足 Pod 调度条件的节点；
• WaitForFirstConsumer：等 Pod 调度后再绑定，适合本地盘和拓扑受限的存储。

静态供给：NFS 示例

先创建一个 NFS PV：

pv-nfs.yaml

apiVersion: v1
kind: PersistentVolume
metadata:
  name: pv-nfs-demo
spec:
  capacity:
    storage: 5Gi
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  persistentVolumeReclaimPolicy: Retain
  nfs:
    server: 192.168.10.20
    path: /data/k8s/pv-nfs-demo

创建 PVC 绑定它：

pvc-nfs.yaml

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: pvc-nfs-demo
spec:
  accessModes:
    - ReadWriteMany
  resources:
    requests:
      storage: 5Gi
  storageClassName: ""

storageClassName: "" 表示不使用动态供给，只匹配静态 PV。

Pod 挂载：

volumes:
  - name: data
    persistentVolumeClaim:
      claimName: pvc-nfs-demo

动态供给：StorageClass

以 NFS CSI 为例：

storageclass-nfs.yaml

apiVersion: storage.k8s.io/v1
kind: StorageClass
metadata:
  name: nfs-csi
  annotations:
    storageclass.kubernetes.io/is-default-class: "true"
provisioner: nfs.csi.k8s.io
parameters:
  server: nfs-server.nfs.svc.cluster.local
  share: /
reclaimPolicy: Delete
volumeBindingMode: Immediate
allowVolumeExpansion: true

创建 PVC 时指定：

pvc-dynamic.yaml

apiVersion: v1
kind: PersistentVolumeClaim
metadata:
  name: app-data
spec:
  storageClassName: nfs-csi
  accessModes:
    - ReadWriteOnce
  resources:
    requests:
      storage: 2Gi

kubectl apply -f pvc-dynamic.yaml
kubectl get pvc app-data -w
kubectl get pv | grep app-data

预期 PVC Bound，并自动出现一个对应的 PV。

设置默认 StorageClass

kubectl patch storageclass nfs-csi -p \
  '{"metadata":{"annotations":{"storageclass.kubernetes.io/is-default-class":"true"}}}'

集群只能有一个默认 StorageClass。PVC 不写 storageClassName 时使用默认值。

StatefulSet 与卷模板

StatefulSet 用 volumeClaimTemplates 为每个副本创建独立 PVC：

volumeClaimTemplates:
  - metadata:
      name: data
    spec:
      accessModes: ["ReadWriteOnce"]
      storageClassName: nfs-csi
      resources:
        requests:
          storage: 10Gi

• sts-demo-0 → PVC data-sts-demo-0
• sts-demo-1 → PVC data-sts-demo-1

缩容时 PVC 默认保留，扩容后能重新挂回。需要自动删除时配置：

persistentVolumeClaimRetentionPolicy:
  whenScaled: Delete
  whenDeleted: Delete

扩容与快照

扩容

前提：StorageClass 设置 allowVolumeExpansion: true。

kubectl patch pvc app-data -p \
  '{"spec":{"resources":{"requests":{"storage":"5Gi"}}}}'
kubectl get pvc app-data -w

文件系统扩容通常需要 Pod 重启或 CSI 支持在线扩容。

快照

需要 VolumeSnapshotClass、VolumeSnapshot CRD 与支持快照的 CSI：

snapshot.yaml

apiVersion: snapshot.storage.k8s.io/v1
kind: VolumeSnapshot
metadata:
  name: app-data-snapshot
spec:
  volumeSnapshotClassName: nfs-csi-snapclass
  source:
    persistentVolumeClaimName: app-data

NFS CSI 的快照能力取决于后端；块存储通常支持得更完整。

实验：动态 PVC + 数据持久化

1. 确认有默认 StorageClass：

kubectl get storageclass

1. 创建 PVC：

kubectl apply -f pvc-dynamic.yaml
kubectl get pvc app-data

1. 创建 Pod 写入数据：

writer.yaml

apiVersion: v1
kind: Pod
metadata:
  name: writer
spec:
  containers:
    - name: writer
      image: busybox:1.36
      command: ["sh", "-c", "echo persisted > /data/hello.txt; sleep 3600"]
      volumeMounts:
        - name: data
          mountPath: /data
  volumes:
    - name: data
      persistentVolumeClaim:
        claimName: app-data

kubectl apply -f writer.yaml
kubectl exec writer -- cat /data/hello.txt

1. 删除 Pod，重建一个 reader：

kubectl delete pod writer
kubectl run reader --image=busybox:1.36 --restart=Never --overrides='
{"spec":{"volumes":[{"name":"data","persistentVolumeClaim":{"claimName":"app-data"}}],
"containers":[{"name":"reader","image":"busybox:1.36","command":["cat","/data/hello.txt"],
"volumeMounts":[{"name":"data","mountPath":"/data"}]}]}}'

预期仍然输出 persisted，证明数据独立于 Pod。

排错表

现象	原因	处理
PVC 一直 Pending	没有匹配 PV / SC 不存在 / 容量不足	describe pvc 看 Events
PVC Pending 且 SC 是 WaitForFirstConsumer	还没有 Pod 使用它	创建 Pod 后再看
Pod FailedMount	NFS 不可达 / Secret 缺失 / CSI 未就绪	describe pod，检查 CSI Pod
Multi-Attach error	RWO 卷被另一个节点占用	等旧 Pod 完全终止，或换 RWX
删除 PVC 后数据还在	回收策略是 Retain	手工清理 PV 与后端目录
扩容失败	SC 不允许扩容 / 驱动不支持	检查 allowVolumeExpansion 与 CSI 能力
写入很慢	NFS 网络 / 后端磁盘瓶颈	测网络与 IOPS，考虑本地盘

进阶挑战

1. 创建一个 WaitForFirstConsumer 的本地 PV，观察 PVC 在 Pod 调度前一直 Pending。
2. 把 PVC 从 2Gi 扩到 5Gi，验证文件系统是否真的变大。
3. 用 Retain 策略删除 PVC，手工恢复 PV 并重新绑定。
4. 用 kubectl get pv -o custom-columns 列出所有 PV 的回收策略与绑定状态。
5. 给 StatefulSet 配 persistentVolumeClaimRetentionPolicy，观察缩容时 PVC 是否被删除。

小结

• 临时数据用 emptyDir，节点级数据用 hostPath，共享数据用 NFS/PVC。
• PVC 是申请，PV 是资源，StorageClass 决定如何动态创建 PV。
• RWO 是节点级限制；需要多节点读写时选 RWX。
• 数据安全三件事：回收策略、备份、恢复演练。

延伸阅读

• 存储卷
• Persistent Volume
• CSI 规范
• 原仓库示例：examples/volumes
• 下一章：服务与网络